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JUC3-共享模型之管程

news 来源：原创 2024/9/21 16:26:57

共享带来的问题

分析

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

分析：

以上的结果可能是正数、负数、零

因为Java中对静态变量的自增、自减并不是原子操作，需要从字节码进行分析

例如对于i++而言（i为静态变量），会产生如下的JVM字节码指令：

i--：

而Java的内存模型如下，完成静态变量的自增、自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程，以上8行代码是顺序执行（不会交错），没有问题

但多线程下这8行代码可能交错运行

出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的，问题出在多个线程访问共享资源

多个线程读共享资源没有问题
在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如：

static int counter = 0;static void increment()
//临界区
{counter++;
}static void decrement()
//临界区
{counter--;
}

竞态条件Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种解决方案：

阻塞式：synchronized，Lock
非阻塞式：原子变量

synchronized解决方案

synchronized，俗称对象锁，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有对象锁，其他线程再想获取这个对象锁时就会阻塞住，这样就能保证拥有锁的线程可以安全地执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意：

虽然Java中互斥和同步都可以采用synchronized关键字来完成，但存在区别：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后顺序不同，需要一个线程等待其他线程运行到某个点

语法1

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{临界区
}

解决：

理解：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给它，t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码

图示：

思考：

synchronized实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断

如果把synchronized(obj)放在for循环的外面，如何理解？——原子性
如果t1 synchronized(obj1)，而t2 synchronized(obj2)会怎么运作？——不同的锁对象
如果t1 synchronized(obj)，而t2没有加会怎么样？——相当于都没有加锁

面向对象改进：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.Test17")
public class Test17 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Room room = new Room();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {room.increment();}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {room.decrement();}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();log.debug("{}", room.getCounter());}
}class Room {private int counter = 0;public void increment() {synchronized (this){counter++;}}public void decrement() {synchronized (this){counter--;}}public int getCounter() {synchronized (this){return counter;}}
}

语法2

成员方法：锁的是this对象

静态方法：锁的是类对象

线程八锁

考察synchronized锁住的是哪个对象

情况1：

12或21

情况2：

1s后12 或 2 1s后1

情况3：c方法没有synchronized，c和ab并行执行

3 1s后1 2 或 3 2 1s后1 或 2 3 1s后1

情况4：两个对象n1和n2，不互斥

2 1s后1

情况5：a方法为静态方法，锁住的是类对象，与b方法锁住的对象不同，不互斥

2 1s后1

情况6：a、b都为静态方法

1s后12 或 2 1s后1

情况7：锁对象不同，不互斥

2 1s后1

情况8：锁对象相同，互斥

1s后12 或 2 1s后1

变量的线程安全

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全

如果它们被共享，根据它们的状态是否能够改变，分为两种情况：

如果只有读操作，则线程安全
如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的

但局部变量引用的对象则未必

如果该对象没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

每个线程调用test1()方法时，局部变量i会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

局部变量的引用：

如果是成员变量

其中一种情况是，如果线程2还未add，线程1remove就会报错：

分析：

无论哪个线程的method2，引用的都是同一个对象中的list成员变量

将list修改为局部变量

分析：

list是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享

如果把method2和method3的方法修改为public会不会有线程安全问题？

情况1：有其他线程调用method2和method3

没有问题，不同线程创建不同的list对象

情况2：在情况1的基础上，为ThreadSafe类添加子类，子类覆盖method2或method3方法

有问题，两个线程共享一个资源

常用线程安全类

String
Integer
StringBuﬀer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent包下的类

这里的线程安全指的是多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的

它们的每个方法是原子的，但它们方法的组合不是原子的

线程安全类方法的组合：

下面代码不是线程安全的

不可变类线程安全性

String、Integer等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

Monitor

Java对象头

以32位虚拟机为例

普通对象

数组对象

其中Mark Word结构为

64位虚拟机Mark Word

Monitor（监视器/管程）

每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针

Monitor结构：

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程

注意：